廣東電網(wǎng)公司茂名電白供電局區(qū) 鄧恩思

近年來,我國風電已經(jīng)邁向快速發(fā)展的步伐。按裝機總容量計算,我國已經(jīng)超過意大利和英國,成為世界第6大風電大國。大規(guī)模的風力發(fā)電必須要實現(xiàn)并網(wǎng)運行，然而由于風電自身的特點,大規(guī)模風電接入會對電網(wǎng)產(chǎn)生負面影響。由于風力資源分布的限制，風電場大多建設在電網(wǎng)的末梢，網(wǎng)絡結構相對薄弱，風電場并網(wǎng)運行必然會影響到電網(wǎng)的電壓質量和電壓穩(wěn)定性。由于風電本身具有不可控、不可調的特征，造成風電出力的隨機性和間歇性。而電網(wǎng)必須按照發(fā)、供、用同時完成的規(guī)律，連續(xù)、安全、可靠、穩(wěn)定地向客戶提供頻率、電壓合格的優(yōu)質電力。風電場并網(wǎng)的研究內(nèi)容涉及到電能質量、電壓穩(wěn)定性、暫態(tài)功角穩(wěn)定性及頻率穩(wěn)定性等。本文主要介紹大型風電場并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的影響及對策。

一、大型風電場運行的特點

1、風能的能量密度小，為了得到相同的發(fā)電容量,風力發(fā)電機的風輪尺寸比相應的水輪機大幾十倍。

2、風能的穩(wěn)定性差。風能屬于過程性能源,具有隨機性、間歇性、不穩(wěn)定性,風速和風向經(jīng)常變動,它們對風力發(fā)電機的工況影響很大。為得到較穩(wěn)定的輸出電能,風力發(fā)電機必須加裝調速、調向和剎車等調節(jié)和控制裝置。

3、風能不能儲存。對于單機獨立運行的風力發(fā)電機組,要保證不間斷供電,必須配備相應的儲能裝置。

4、風輪的效率較低。風輪的理論最大效率為59.3%,實際效率會更低一些,統(tǒng)計顯示,水平軸風輪機最大效率通常在20%～50%,垂直軸風輪機最大效率在30%～40%。

5、風電場的分布位置經(jīng)常偏遠。例如,我國的風電資源雖然比較豐富,但多數(shù)集中在西北、華北和東北“三北地區(qū)”。

由于風能具有以上特點,使得利用風能發(fā)電比用水力發(fā)電困難得多。

總之,風電的最大缺點是不穩(wěn)定,風電系統(tǒng)所發(fā)出的電能若直接并入電網(wǎng)將影響局部電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。

二、大型風力發(fā)電場并網(wǎng)運行引起的問題分析

風電場接入電網(wǎng)一般有兩種方式，一種是傳統(tǒng)的并網(wǎng)方式，單個風電場容量均比較小，作為一種分布式電源，分散接入地區(qū)配電網(wǎng)絡，以就地消納為主；另一種是在風能資源豐富區(qū)域集中開發(fā)風電基地，通過輸電通道集中外送，如歐美國家規(guī)劃中的海上風電和我國正在開發(fā)的內(nèi)蒙古、張家口、酒泉和江蘇沿海千萬千瓦級風電基地。風電機組單機容量和并網(wǎng)運行的風電裝機規(guī)模越來越大，對系統(tǒng)的影響也越來越明顯。與小型風電場不同，大型風電場接入電網(wǎng)后，風電場對電網(wǎng)的影響已從簡單的局部電壓波動等問題發(fā)展到對電網(wǎng)調節(jié)控制(調頻調峰、經(jīng)濟調度)、電能質量、電網(wǎng)穩(wěn)定等諸多方面。

1、對電網(wǎng)調節(jié)控制的影響

電網(wǎng)傳統(tǒng)的調度（發(fā)電）計劃的編制及實施，完全基于電源的可靠性、負荷的可預測性。當系統(tǒng)風電容量達到一定的規(guī)模后，風電的隨機性和不可預測性會給傳統(tǒng)的調度（發(fā)電）劃的安排和實施帶來問題。

我國東南沿海地區(qū)風力資源豐富，隨大規(guī)模風電場接入其所屬電網(wǎng)，首先將帶來電網(wǎng)的調節(jié)控制問題。風電場的輸出功率曲線很重要，與風的大小、方向都相關。各地區(qū)風電場的輸出功率曲線會有差異，但對電網(wǎng)調節(jié)有利的特性情況較少見到，如輸出功率曲線與電網(wǎng)負荷特曲線性相近；而較多的情況是對電網(wǎng)不利的特性，如：①午夜時段輸出功率較高，而此時電網(wǎng)處在低谷時段。午后時段輸出功率很低，而此時電網(wǎng)處在高峰時段。②最高、最低出輸出功率差一般較大，可能在50%以上。③基本無調節(jié)能力，且其功率呈頻繁波動狀態(tài)。這樣，其輸出功率特性對電網(wǎng)負荷曲線在非高峰時段成為“反調節(jié)”性質，即增加了電網(wǎng)的峰谷差，加大了對電網(wǎng)調峰調頻能力的要求，從而增加了電網(wǎng)調節(jié)控制的難度。

電網(wǎng)狀況也不樂觀。①沿海各大區(qū)域電網(wǎng)(如華東、南方等)均屬千萬kW級或億kW級，按理接納目前規(guī)模的風電應無問題，但實際電網(wǎng)雖名為“統(tǒng)一調度”、而從調節(jié)控制角度而言更多的是“互聯(lián)”性質，即屬分塊(地區(qū))控制性質：系統(tǒng)的調峰及頻率調節(jié)控制按統(tǒng)一規(guī)則將任務分配到塊(地區(qū))、考核到塊(地區(qū))；考核一般又與經(jīng)濟利益掛鉤。這樣，具有地區(qū)性質的風電場的接入將由該塊(地區(qū))電網(wǎng)承接、消化。②地區(qū)電網(wǎng)的承接能力決定于該電網(wǎng)的具體情況，對以火電比重較大的電網(wǎng)如上海、山東等，調節(jié)能力差，承接能力就較小。對大受端的上海電網(wǎng)而言，因多種原因今后接受區(qū)外來電的比重將越來越大，如25%及以上；一般區(qū)外來電的調節(jié)性能又較差；更增加了電網(wǎng)調節(jié)控制的難度。③大城市國際化的步伐加快使地區(qū)負荷特性向負荷率更低、峰谷差更擴大發(fā)展。作為“反調節(jié)”的風電場更增加了對電網(wǎng)的調節(jié)控制的壓力。

風電場高峰輸出功率替代了電網(wǎng)常規(guī)能源機組，但因其“反調節(jié)”性質而使非高峰時段特別是低谷時段增加了對電網(wǎng)調節(jié)能力的要求。于是，電網(wǎng)原有調峰能力的余額，即調峰能力扣除負荷峰谷差后的裕量部分(特別在夏季)、其非高峰時段的電網(wǎng)調節(jié)能力余額，成為約束，決定了電網(wǎng)允許接入的最大“綜合風電場容量”。

2、風電接入對電網(wǎng)電壓的影響

由于風速為隨機變化的量，使得風電場的輸出功率具有波動性，風電機組的頻繁啟停、切換，產(chǎn)生電壓的波動、閃變，從而將影響局部電網(wǎng)的電能質量；風電場大量采用電子器件，給電網(wǎng)帶來諧波，如并聯(lián)電容與電抗元件發(fā)生諧振會放大諧波效應。必須重視和計算分析風電場造成局部電網(wǎng)的電壓波動、閃變和諧波污染問題。目前，由于風電場的規(guī)模較小，如上海、南澳電網(wǎng)等，大都在3%及以下，還不能構成重大影響。但隨規(guī)模的擴大，如在10%及以上時，通過對風電場在不同運行工況下的系統(tǒng)仿真計算，表明電壓波動和閃變等可能超出國家有關標準。

風力發(fā)電機如采用異步發(fā)電機，在運行時需要從系統(tǒng)吸收無功功率來建立磁場，從而使局部電網(wǎng)的電壓水平有明顯的下降。風電場的無功需求使負荷特性的極限功率減少,降低了靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。由于風電場大多采用異步發(fā)電機,變速恒頻風電系統(tǒng)在向電網(wǎng)注入功率的同時需要從電網(wǎng)吸收大量的無功功率,風電場的無功仍可看作是一個正的無功負荷,因此風電場可能引起電壓穩(wěn)定性降低或電壓崩潰現(xiàn)象。但只要系統(tǒng)的無功供給足夠多,則整體上可以認為風電場的并網(wǎng)增強了系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性。隨著接入風電容量的增大，風電場從系統(tǒng)中吸收的無功功率逐漸增大，如果系統(tǒng)不能提供充足的無功，網(wǎng)內(nèi)相關節(jié)點電壓會逐漸降低。在電網(wǎng)規(guī)劃沒有與風電規(guī)劃協(xié)調發(fā)展時，往往電網(wǎng)接納風電的能力不能適應風電規(guī)劃的發(fā)展，接入的風電場容量受到電網(wǎng)自身條件的限制。

3、風電接入對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響

風力發(fā)電系統(tǒng)通常接入電網(wǎng)的末端，改變了配電網(wǎng)功率單向流動的特點，使潮流流向和分布發(fā)生改變，這在原有電網(wǎng)的規(guī)劃和設計時是沒有預先考慮的。當風電注入功率增大時，風電場附近局部電網(wǎng)的電壓和聯(lián)絡線功率可能會超出安全范圍，嚴重時會導致電壓崩潰。

在異步發(fā)電機并網(wǎng)系統(tǒng)中，風電系統(tǒng)在向電網(wǎng)注入功率的同時需要從電網(wǎng)吸收大量的無功功率。因此，為了補償風電場的無功功率，每臺風力發(fā)電機都配有功率因數(shù)校正裝置，目前常用的是分組投切的并聯(lián)電容器。電容器的無功補償量的大小與接人點電壓的平方成正比，當系統(tǒng)電壓水平較低時，并聯(lián)電容器的無功補償量迅速下降，導致風電場對電網(wǎng)的無功需求上升，進一步惡化電壓水平，嚴重時會造成電壓崩潰。

由于異步發(fā)電機的功率恢復特性，當電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，若故障排除不及時，也將容易導致暫態(tài)電壓失穩(wěn)。另外，隨著風電場規(guī)模的不斷擴大，風電場在系統(tǒng)中所占的比例不斷增加，風電輸出的不穩(wěn)定性對電網(wǎng)的功率沖擊效應也不斷增大，對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響就更加顯著，嚴重情況下將會使系統(tǒng)失去動態(tài)穩(wěn)定性，導致整個系統(tǒng)的瓦解。

4、對電能質量的影響

隨著越來越多的風電機組并網(wǎng)運行,風力發(fā)電對電網(wǎng)電能質量的影響引起了廣泛關注。風資源的不確定性和風電機組本身的運行特性使風電機組的輸出功率呈波動性,可能會影響電網(wǎng)的電能質量,如電壓偏差、電壓波動和閃變、諧波等。

風力發(fā)電機組大多采用軟并網(wǎng)方式,但是在啟動時仍然會產(chǎn)生較大的沖擊電流。當風速超過切出風速時,風機會從額定出力狀態(tài)自動退出運行。如果整個風電場所有風機幾乎同時動作,這種沖擊對配電網(wǎng)的影響十分明顯。不但如此,風速的變化和風機的塔影效應都會導致風機出力的波動,而其波動正好處在能夠產(chǎn)生電壓閃變的頻率范圍內(nèi),因此風機在正常運行時也會給電網(wǎng)帶來閃變問題。目前,電壓波動和閃變是風力發(fā)電對電網(wǎng)電能質量的主要負面影響之一。

風電給系統(tǒng)帶來諧波的途徑主要有兩種：一種是風力發(fā)電機本身配備的電力電子裝置,可能帶來諧波問題。另一種是風力發(fā)電機的并聯(lián)補償電容器可能和線路電抗發(fā)生諧振,在實際運行中,曾經(jīng)觀測到在風電場出口變壓器的低壓側產(chǎn)生大量諧波的現(xiàn)象。

5、風電接入對繼電保護的影響

為了減少風電機組的頻繁投切對接觸器的損害，在有風期間風電機組都保持與電網(wǎng)相連，當風速在起動風速附近變化時，允許風電機組短時間電動機運行，因此風電場與電網(wǎng)之間聯(lián)絡線的功率流向有時是雙向的。所以，風電場繼電保護裝置的配置和整定應充分考慮到這種運行方式。盡管風力發(fā)電提供的故障電流非常有限，但有可能影響現(xiàn)有配電網(wǎng)絡保護裝置的正確運行，這在最初的配電網(wǎng)保護配置和整定時是沒有考慮到的。

6、風電接入對電力系統(tǒng)運行成本的影響

風力發(fā)電的運行成本很低，與火電機組相比可以忽略不計。但是，風力發(fā)電是一種間歇性能源，風電場的功率輸出具有很強的隨機性，目前的預報水平還不能滿足電力系統(tǒng)實際運行的需要，在做運行計劃時風電是作為未知因素考慮的。為了保證風電并網(wǎng)以后系統(tǒng)運行的可靠性，因此需要在原來運行方式的基礎上，額外安排一定容量的旋轉備用以響應風電場發(fā)電功率的隨機波動，維持電力系統(tǒng)的功率平衡與穩(wěn)定。可見風電并網(wǎng)對整個電力系統(tǒng)具有雙重影響：一方面分擔了傳統(tǒng)機組的部分負荷，降低了電力系統(tǒng)的燃料成本；另一方面又增加了電力系統(tǒng)的可靠性成本。

三、小結

根據(jù)風電場的運行經(jīng)驗，大規(guī)模風電并網(wǎng)帶來的主要問題：一是風速的波動性和隨機性引起風電場出力隨時間變化而導致的安全隱患；二是薄弱系統(tǒng)的穩(wěn)定性與電能質量問題。由于風能資源有著間歇性和隨機性的特點，因此大規(guī)模的風電并入電網(wǎng)將對電網(wǎng)的規(guī)劃建設、運行調度、分析控制、經(jīng)濟運行和電能質量等產(chǎn)生一定的影響。

為保證電網(wǎng)、風電場的安全，必要時應該控制風電場接入系統(tǒng)的容量。國內(nèi)外學者和工程技術人員通常采用以下2個指標來表征電網(wǎng)可承受的風電場并網(wǎng)容量：（1）風電穿透功率極限；（2）風電場短路容量比。適當提高電容器的補償容量，有助于提高風電系統(tǒng)短路故障后的穩(wěn)定性，進一步可以選擇安裝動態(tài)無功補償裝置來提供動態(tài)的電壓支撐，改善系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。限制接入一個點的風電容量，這樣就可以在該點發(fā)生故障時，盡量降低其對其它風電場的影響，即采取“分散接入”的原則。在做好風電規(guī)劃的基礎上引入合適的新技術,如輕型直流輸電,儲能裝置來減少對日益增長的風電規(guī)模給電網(wǎng)帶來的影響。另外，為了降低風電接入對電網(wǎng)調度的影響及對備用容量的要求，進行風電功率預測十分必要和迫切。

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